Mạch điện tử và ứng dụng đề tài thiết kế mạch khuếch đại âm thanh dùng transistor lưỡng cực

TRƯỜNG CAO ĐẲNG FPT POLYTECHNIC BỘ MÔN CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HOÁ -o0o - ASSIGNMENT AUT106 MẠCH ĐIỆN TỬ VÀ ỨNG DỤNG Đề tài: THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI ÂM THANH DÙNG TRANSISTOR LƯỠNG CỰC T.VIÊN: TRẦN QUANG KHƯƠNG GVHD: PHẠM NGỌC THOA LỚP: AC18201 Tp Hồ Chí Minh – 10/2022 PS16109 Bộ Giáo Dục Và Đào Tạo CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Trường Cao Đẳng FPT Poytechnic Độc lập - Tự - Hạnh phúc Thành phố Hồ Chí Minh NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HOÁ NHIỆM VỤ ASSIGNMET Lớp: AC1801 Ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HOÁ Hệ: CAO ĐẲNG 1.Tên đề tài: “Thiết kế mạch khuếch đại âm thanh” Nội dung phần thuyết minh: Các vẽ đồ thị: Giáo viên hướng dẫn: PHẠM NGỌC THOA Ngày giao nhiệmvụ: Ngày hoàn thành nhiệm vụ: Ngày…… tháng…… năm 2022 Giáo viên hướng dẫn Ngày … tháng … năm 2022 Chủ nhiệm môn ASSIGNMENT Bộ Giáo Dục Và Đào Tạo Trường Cao Đẳng FPT Poytechnic Thành Phố Hồ Chí Minh CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Tp.HCM, ngày……tháng… năm 2022 Giáo viên hướng dẫn ASSIGNMENT LỜI MỞ ĐẦU Sự đời Transistor vào năm 1948 mở thời kì cho nghành kĩ thuật điện tử Kể từ đến kĩ thuật điện tử phát triển cách nhanh chóng, đem lại lợi ích to lớn cho đời sống xã hội Những sản phẩm kĩ thuật điện tử có mặt hầu hết hoạt động người Trong năm gần nước ta có tiến vượt bậc việc chế tạo thiết bị diện tử Sản phẩm diện tử Việt Nam tạo niềm tin khách hàng nước nước giới Việt Nam dã trọng dầu tư cho việc nghiên cứu nhằm tạo sản phẩm có chất lượng, dáp ứng nhu cầu người Việc học tập nghiên cứu trường đại học, cao dẳng khơng nằm ngồi mục dích Chúng ta biết ứng dụng quan trọng Transistor để khuếch đại tín hiệu Nghĩa dùng Transistor để thiết kế tầng khuếch đại nhằm biến đổi lượng nguồn tín hiệu chiều thành lượng tín hiệu xoay chiều Với hướng dẫn cô PHẠM NGỌC THOA em thực assignment với đề tài: “Thiết kế mạch khuếch đại âm thanh” ASSIGNMENT LỜI CẢM ƠN Để hồn thành đồ án này, ngồi nỗ lực em cịn có giúp đỡ giáo viên hướng dẫn, thầy cô môn, bạn bè người thân Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PHẠM NGỌC THOA tận tình hướng dẫn, giúp đỡ chúng em việc giải khó khăn, vướng mắc suốt q trình thực assignment nhóm Bên cạnh đó, nhóm xin gửi lời cảm ơn đến q thầy tận tình giảng dạy kiến thức kinh nghiệm sống cho chúng em, cho chúng em hành trang vững trước bước vào chặn đường Nhóm em xin chân thành cảm ơn Trường Cao Đẳng FPT Polytechnic Thành phố Hồ Chí Minh tạo điều kiện cho em học tập, trang bị cho chúng em kiến thức cần thiết để tìm cơng việc phù hợp sau Trong q trình thực đề tài sẽ khơng tránh khỏi thiếu sót, chúng em mong nhận góp ý từ giảng viên bạn ASSIGNMENT MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU LỜI CẢM ƠN CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT I >>TRANSISTOR : 1.Cấu tạo Ký hiệu hình dạng Transistor : Nguyên tắc hoạt động Transistor .8 Cấp điện cho Transistor ( Vcc - điện áp cung cấp ) .9 : Transistor khuếch đại đệm KSE 340 KSE 350 ; .11 :Transistor công suất 2SC 5200 2SA 1943 12 II>>TỤ ĐIỆN : 1.1 CẤU TẠO .13 Phân loại : 14 III>> ĐIỆN TRỞ : khái niệm điện trở : 15 Hình dáng ký hiệu : .15 PHẦN II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT: 18 PHẦN III : THIẾT KẾ .19 I: SƠ ĐỒ KHỐI: II SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ: CHƯƠNG IV KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN 26 NGUỒN THAM KHẢO 27 ASSIGNMENT ASSIGNMENT 1.1 TRANSISTOR : CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1.1 Cấu tạo Transistor hình thành từ ba lớp bán dẫn ghép với hình thành hai mối tiếp giáp P-N ,nếu ghép theo thứ tự PNP ta transistor thuận, ghép theo thứ tự NPN ta transistor ngược Về phương diện cấu tạo transistor tương đương với hai Diode đấu ngouocwj chiều Cấu trúc gọi Bipolar Junction Transistor (BJT) dòng điện chạy cấu trúc bao gồm hai điện tích âm dương (Bipolar nghĩa hai cực tính) Ba lớp bán dẫn nối thành ba cực, lóp gọi cực góc ký hiệu B (Base), lớp bán dẫn B rấ mỏng có nồng độ tạp chất thấp Hai lớp bán dẫn bên nối thành cực phát (Emitter) viết tắt E, cực thu hay cực góp (Collector) viết tắc C, vùng bán dẫn C E có loại bán dẫn (loại N hay P) có kích thước nịng độ khác nên khơng hốn vị cho 1.1.2 Ký hiệu hình dạng Transistor : ASSIGNMENT 1.1.3 Nguyên tắc hoạt động Transistor * Xét hoạt động Transistor NPN Mạch khảo sát nguyên tắc hoạt động transistor NPN Ta cấp nguồn chiều UCE vào hai cực C E (+) nguồn vào cực C (-) nguồn vào cực E.  Cấp nguồn chiều UBE qua cơng tắc trở hạn dịng vào hai cực B E , cực (+) vào chân B, cực (-) vào chân E.  Khi công tắc mở , ta thấy rằng, hai cực C E cấp điện khơng có dịng điện chạy qua mối C E ( lúc dịng IC = )  Khi cơng tắc đóng, mối P-N phân cực thuận có dịng điện chạy từ (+) nguồn UBE qua cơng tắc => qua R hạn dòng => qua mối BE cực (-) tạo thành dòng IB  Ngay dòng IB xuất => có dịng IC chạy qua mối CE làm bóng đèn phát sáng, dòng IC mạnh gấp nhiều lần dòng IB  ASSIGNMENT Như rõ ràng dịng IC hồn tồn phụ thuộc vào dịng IB phụ thuộc theo cơng thức   IC = β.IB  Trong IC dịng chạy qua mối CE  IB dòng chạy qua mối BE  β hệ số khuyếch đại Transistor  1.1.4 Cấp điện cho Transistor ( Vcc - điện áp cung cấp )  Để sử dụng Transistor mạch ta cần phải cấp cho nguồn điện, tuỳ theo mục đích sử dụng mà nguồn điện cấp trực tiếp vào Transistor hay qua điện trở, cuộn dây v v nguồn điện Vcc cho Transistor quy ước nguồn cấp cho cực CE Cấp nguồn Vcc cho Transistor ngược thuận Ta thấy : Nếu Transistor ngược NPN Vcc phải nguồn dương (+), Transistor thuận PNP Vcc nguồn âm (-)  10 ASSIGNMENT Đen Nâu Đỏ Cam Vàng Xanh Xanh lơ Tím Xám Trắng Nhũ vàng Nhũ bạc -1 -2 Điện trở thường được ký hiệu vòng mầu , điện trở xác thì ký hiệu vịng mầu 1.3.4 Ứng dụng điện trở  Điện trở có mặt nơi thiết bị điện tử điện trở linh kiện quan trọng thiếu , mạch điện , điện trở có tác dụng sau : Khống chế dòng điện qua tải cho phù hợp, Ví dụ có bóng đèn 9V, ta có nguồn 12V, ta đấu nối tiếp bóng đèn với điện trở để sụt áp bớt 3V điện trở Đấu nối tiếp với bóng đèn điện trở 15 ASSIGNMENT Như hình ta tính trị số cơng xuất điện trở cho phù hợp sau: Bóng đèn có điện áp 9V cơng xuất 2W dịng tiêu thụ I = P / U = (2 / ) = Ampe dịng điện qua điện trở - Vì nguồn 12V, bóng đèn 9V nên cần sụt áp R 3V ta suy điện trở cần tìm R = U/ I = / (2/9) = 27 / = 13,5 Ω - Công xuất tiêu thụ điện trở : P = U.I = 3.(2/9) = 6/9 W ta phải dùng điện trở có cơng xuất P > 6/9 W Mắc điện trở thành cầu phân áp để có điện áp theo ý muốn từ điện áp cho trước Cầu phân áp để lấy áp U1 tuỳ ý Từ nguồn 12V thông qua cầu phân áp R1 R2 ta lấy điện áp U1, áp U1 phụ thuộc vào giá trị hai điện trở R1 R2.theo công thức U1 / U = R1 / (R1 + R2) => U1 = U.R1/(R1 + R2) Thay đổi giá trị R1 R2 ta thu điện áp U1 theo ý muốn Phân cực cho bóng bán dẫn hoạt động Mạch phân cực cho Transistor Tham gia vào mạch tạo dao động R C 16 ASSIGNMENT Mạch tạo dao động sử dụng IC 55 17 ASSIGNMENT 1.4 SƠ BỘ VỀ KHUẾCH ĐẠI ÂM THANH 1.4.1 Định nghĩa khuếch đại âm - Khuếch đại âm loại khuếch đại điện tử, có nhiệm vụ thực khuếch đại tín hiệu âm đầu vào nhỏ cở mV, để thu tín hiệu lớn nhiều lần Mạch khuếch đại âm sử dụng transistor, fets, IC opamp,… 1.4.2Tìm hiểu IC khuếch đại - Mạch khuếch đại thuật toán mạch khuếch đại tín hiệu với hệ số khuếch đại cao, có đầu vào vi sai, thơng thường có đầu đơn Trong ứng dụng thơng thường, đầu điều khiển mạch hồi tiếp âm cho xác định độ lợi đầu *Điều kiện IC khuếch đại thuật toán lí tưởng - Điện trở chân đầu vào lớn nên xem I+ =I- =0 - Hệ số khuếch đại vịng hở tiếng đến vơ Vin+ = VinĐiện trở đầu gần không để đảm bảo cung cấp dòng cho tải hoạt động * Là vi mạch tương tự thơng dụng tích hợp số ưu điểm sau: – Hai ngõ vào đảo khơng đảo cho phép khuếch đại nguồn tín hiệu có tính đối xứng (các nguồn phát tín hiệu biến thiên chậm nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, mực chất lỏng, phản ứng hố-điện, dịng điện sinh học … thường nguồn có tính đối xứng) 18 ASSIGNMENT 1.5 IC YDA 138-E 1.5.1 Tổng quan YDA138 (D-3) IC khuếch đại công suất âm kỹ thuật số hiệu cao hoạt động với nguồn điện 12V Có thể định cấu hình khuếch đại cơng suất âm có đầu tối đa 10W (R1 =82)×2ch 20W (R=49)×1 với chip YDA138 có "Mạch truyền động loa trực tiếp xung túy" trực tiếp điều khiển loa đồng thời giảm méo tín hiệu đầu xung giảm nhiễu tín hiệu, đồng thời nhận đặc tính tỷ lệ méo thấp tiêu chuẩn cao đặc tính tiếng ồn thấp loại khuếch đại kỹ thuật số đầu 10W CI Ngồi ra, thiết kế mạch linh kiện bên ngồi tùy theo điều kiện sử dụng tương ứng với lọc YDA138 cung cấp chức bảo vệ dòng cho đầu loa, chức bảo vệ nhiệt IC, chức giảm nhiễu POP chức đo nhiễu AM chức tắt nguồn chức tắt tiếng đầu IC có số chức như: ・Phạm vi cung cấp điện hoạt động 9.0V đến 13.5V ・Hoạt động đồng hóa đa kênh Chức chuyển mạch Master/Slave ・Chức chuyển đổi tần số sóng mang 524kHz/466kHz ・Chức bảo vệ dòng ・Chức bảo vệ nhiệt ・Chức phát dừng đồng hồ ・Chức giảm tiếng ồn pop ・Chức đo nhiễu AM ・Đầu vào analog/Đầu BTL (Bridge-Tied Load) ・SSOP nhựa 42 chân Pin mạ chì không chứa Pd (YDA138-EZ) 1.5.2 Sơ đồ chân 19 ASSIGNMENT 20 ASSIGNMENT 21 ASSIGNMENT CHƯƠNG II : THIẾT KẾ 2.1 SƠ ĐỒ KHỐI: Tín hiệu âm từ thiết bị như: đầu video, micro,đấu DVD… tín hiệu nhỏ có biên độ nhỏ: từ 30mV đến 775mV Tín hiệu đưa vào mạch khuếch đại công suất, sau khuếch đại thành tín hiệu có biên độ lớn đưa loa Sơ đồ khối mạch khuếch đại công suất thường chia làm ba giai đoạn hồi tiếp âm: Tầng khuếch đại vi sai với tín hiệu nhỏ: vi sai điện áp vào, cho khuếch đại dòng ngõ Tầng khuếch đại công suất: tầng khuếch đại đồng điện áp dịng điện, cung cấp cơng suất lớn cho tải (loa) Hồi tiếp âm: giữ cho mạch hoạt động ổn định làm giảm méo tín hiệu Tầng lái hay tầng khuếch đại điện áp: ngõ vào dòng điện, cho khuếch đại điện áp ngõ Tầng khuếch đại công suất: tầng khuếch đại đồng điện áp dịng điện, cung cấp cơng suất lớn cho tải( loa) Hồi tiếp âm: giữ cho mạch hoạt động ổn định làm giảm nhiễu tín hiệu Vi KHUẾCH ĐẠI VI SAI TẦNG LÁI KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT Vo HỒI TIẾP ÂM Hình 2.1 Sơ đồ khối mạch khuếch đại công suất âm tần OCL 22 ASSIGNMENT 2.2 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ: Với sơ đồ khối trên, thiết kế loại mạch khuếch đại công suất theo yêu cầu người tiêu dùng Cụ thể đồ án mạch điện tử ứng dụng này, em thực thiết kế mạch khuếch đại cơng suất có u cầu sau: - Dạng mạch: OCL Công suất ngõ ra: PLMax = 100W Băng thông: BW = 20Hz – 20KHz Tải RL = 8ohm Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý mạch KĐCS âm tần – OCL 23 ASSIGNMENT 2.3 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA TỪNG TẦNG: 2.3.1 tầng công suất: a) sơ đồ mạch nguyên lý: Hình : Sơ đồ nguyên lí tầng cơng suất dang PUT – PULL bổ phụ b) Hoạt động mạch: - Khi tín hiệu vào có bán kì dương: + VBE tăng lên nên Q8 phân cực thuận dẫn dòng đổ vào cực B Q 10, làm cho Q10 phân cực thuận dẫn dòng mạnh từ nguồn + Vcc qua loa xuống Mass + Cịn Q9 phân cực nghịch tắt nên khơng phân cực cho Q11, Q11 khơng rút dịng - Khi tín hiệu vào có bán kì âm: + VBEQ9 giảm xuống nên Q9 phân cực thuận rút dòng từ cực B Q 11, làm cho Q11 phân cực thuận rút dòng mạnh từ Mass qua loa đổ -Vcc + Còn Q8 phân cực nghịch tắt nên không phân cực cho Q10 - Phần tử VBIAS làm nhiệm vụ định mức điện áp cho V BEQ8, VBEQ10 VBEQ9, VBEQ11 để hai cặp BJT Q8, Q10 Q9, Q11 làm việc lớp AB Phần tử VBIAS điều chỉnh để cân chỉnh điện áp điểm hai BJT Q10 Q11 0V 24 ASSIGNMENT 2.3.2 Tầng lái công suất: a) sơ đồ mạch nguyên lý: Hình : Sơ đồ nguyên lý tầng lái công suất phần tử V BIAS định chế độ hoạt động lớp AB cho tầng KĐCS PUSH – PULL bổ phụ b) hoạt động mạch: - D5 D6 tạo chênh lệch điện áp 2VD để phân cực cho Q6 tạo dòng điện cực EQ6, dịng điện thai đổi nhờ biến trở R10 - R9 phân cực thuận cho D5, D6 có điện áp ngưỡng VD, dịng qua D5, D6 ID5,D6 VD - D1, D2, D3, D4 biến trở R11 dùng để tạo điện áp phân cực cho tầng KĐCS PUSH –PULL hoạt động chế độ lớp AB - Q7 tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ chế độ lớp A, tạo tín hiệu ngõ biến o thiên 360 theo tín hiệu ngõ vào 25 ASSIGNMENT 2.3.3 Tầng tiền khuếch đại vi sai: a) Sơ đồ nguyên lý: b) Hoạt động : - Tương tự tầng lái, Q5 phân cực để tạo dịng điện cố định điều chỉnh nhờ R5, điều chỉnh để tầng công suất cân hay điểm đạt giá trị 0V đồng thời làm tăng giá trị hệ số nén tín hiệu đồng pha CMRR (common mod rejection ratio) hay gọi hệ số triệt tín hiệu đồng pha Có nghĩa nguồn dòng Q cải tiến mạch vi sai thành lí tưởng vời hệ có CMRR = ∞ - Q1 Q4 cặp BJT giống nhau, ghép thành mạch khuếch đại Visai Có nhệm vụ khuếch đại tín hiệu Visai tín hiệu ngõ vào tín hiệu hồi tiếp âm NFP (Negateve feedback), giữ cho toàn mạch hoạt động ổn định theo hệ số Avf định - Q Q3 cặp BJT giông nhau, ghép thành gương dịng điện có nhiệm vụ giữ cho dòng điện Ic Q1 Q4 cân chế độ DC, điểm lợi tạo trở 26 ASSIGNMENT kháng lớn từ cực C Q chế độ AC đểđảm bảo tín hiệu ngõ mạch Visai đưa hồn toàn đến tầng lái Q7 ngõ vào - Tụ C1là tụ liên lạc, ngăn dòng DC đồng thời xác định tần số cắt thấp f L cho -Tụ C2 có gá trị lớn để ngắn mạch chế độ AC tạo cầu phân áp tten6 cực B Q4 có điện áp hồi tiếp - R7 R8 xác lập độ lợi điện áp có hồi tiếp A vf Riêng Q8 chế độ DC làm nhiệm vụ phân cực cho Q4 - R3 R6 phân cực cho Q1, Q4 đồng thời xác lập VBEQ7 phân cực cho Q7 tầng công suất xác định tỉ số dòng điện cho gương dòng Q2, Q3 - R2 R4 có trị số nhau, để ổn định Q 1, Q4 đồng thời triệt tín hiệu tần số cao chế độ AC - R1 phân cực cho Q1 chế độ DC 27 ASSIGNMENT CHƯƠNG III: THI CÔNG SẢN PHẨM 28 ASSIGNMENT CHƯƠNG IV KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN 4.1 KẾT LUẬN Ưu điểm - Đã hoàn thành mạch khuếch đại âm với yêu cầu đặt - Các linh kiện xếp gọn gàng, thẩm mỹ Nhược điểm - Tuy nhiên âm sau khuếch đại qua mạch rè nhiễu - Sau thời gian sử dụng mạch cịn bị nóng 4.2 PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN - Tích hợp thêm mạch phân tầng để điều chỉnh thêm Bass, Treble, Mid - Gắn thêm mạch Bluetooth, Wifi để phát nhạc mà không cần cắm jack 3.5 29 ... nghĩa khuếch đại âm - Khuếch đại âm loại khuếch đại điện tử, có nhiệm vụ thực khuếch đại tín hiệu âm đầu vào nhỏ cở mV, để thu tín hiệu lớn nhiều lần Mạch khuếch đại âm sử dụng transistor, fets,... hiểu IC khuếch đại - Mạch khuếch đại thuật tốn mạch khuếch đại tín hiệu với hệ số khuếch đại cao, có đầu vào vi sai, thơng thường có đầu đơn Trong ứng dụng thông thường, đầu điều khiển mạch hồi... thiết kế loại mạch khuếch đại cơng suất theo yêu cầu người tiêu dùng Cụ thể đồ án mạch điện tử ứng dụng này, em thực thiết kế mạch khuếch đại cơng suất có yêu cầu sau: - Dạng mạch: OCL Công suất